用示波器測(cè)時(shí)間

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解示波器的基本原理和結(jié)構(gòu);2. 學(xué)習(xí)使用示波器觀察波形和測(cè)量信號(hào)周期實(shí)驗(yàn)題目：用示波器測(cè)量時(shí)間及其時(shí)間參數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理1. 示波器的基本結(jié)構(gòu)示波器由示波管、放大系統(tǒng)、衰減系統(tǒng)、掃描和同步系統(tǒng)及電源等部分組成。示波管是示波器的基本構(gòu)件，它由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分組成，被封裝在高真空的玻璃管內(nèi)。電子槍是示波管的核心部分。(1) 陰極：實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。(2) 柵極：由第一柵極和第二柵極構(gòu)成，只有少量電子通過(guò)第一柵極，第二柵極對(duì)陰極 發(fā)射的電子奔向熒光屏起加速作用。(3) 第一陽(yáng)極：第一陽(yáng)極上加有幾百伏的電壓，形成一個(gè)聚焦的電場(chǎng)，當(dāng)電子束通過(guò)此 聚焦電場(chǎng)時(shí)，調(diào)節(jié)加在上的電壓可以達(dá)到

2、聚焦的目的。(4) 第二陽(yáng)極：第二陽(yáng)極上加有1000V以上的電壓。聚焦后的電子經(jīng)過(guò)這個(gè)高壓電場(chǎng)的加速獲得足夠的動(dòng)能，使其成為一束高速的電子流。這些能量很大的電子打在熒光 屏上可引起熒光物質(zhì)發(fā)光。(5) 偏轉(zhuǎn)板：由兩對(duì)相互垂直的金屬板構(gòu)成，在兩對(duì)金屬板上分別加以直流電壓，以控制電子束的位置，適當(dāng)調(diào)節(jié)這個(gè)電壓值可以把光點(diǎn)或波形移到熒光屏的中間部位。(6) 熒光屏：熒光屏能在高能電子的轟擊下發(fā)光。輝光的強(qiáng)度取決于電子的能量和數(shù)量。在電子射線停止作用之后，余輝使我們能在屏上觀察到光點(diǎn)的連續(xù)軌跡。垂直偏轉(zhuǎn)板(y軸)及水平偏轉(zhuǎn)板(x軸)所形成的二維電場(chǎng)，使電子束發(fā)生位移：¥SyVyVyDyX S

3、XVXVxDx(1)其中，S和D分別為偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)靈敏度和偏轉(zhuǎn)因數(shù)示波器顯示波形的原理在x軸偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)隨時(shí)間t按一定比例增加的電壓Vx , Vx周期性變化，并且由于發(fā)光物質(zhì)的特殊性使光跡有一定保留時(shí)間，于是就得到一條“掃描線”，稱為時(shí)間基線。如果在x軸上加有電壓的同時(shí)， 在y軸上加電壓，則電子束受到水平電場(chǎng)和垂直電場(chǎng)的共同作用而呈現(xiàn)二維圖形。為了得到可觀測(cè)的圖形，必須使電子束的偏轉(zhuǎn)多次重疊出現(xiàn)，即 重復(fù)掃描。Tx （或頻率fx）與被測(cè)信號(hào)很顯然，為了得到清晰穩(wěn)定的波形，上述掃描電壓的周期Tynf x , n=1,2,的周期Ty （或fy）必須滿足(2)以保證Tx軸的起點(diǎn)始終與y軸周期信號(hào)固

4、定一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)（同步），波形才穩(wěn)定。否則,波形就不穩(wěn)定而無(wú)法觀測(cè)。2. 用x軸時(shí)基測(cè)時(shí)間參數(shù)x軸掃描信號(hào)的周期，是以時(shí)基單位（ms/cm）來(lái)標(biāo)示的，示波管熒光屏直徑為10cm,則式（2）的Tx,由時(shí)基（ms/cm）乘上10cm，在實(shí)際測(cè)量中，將式（2）有式（3）的形式(3)Tx時(shí)基單位波形厘米數(shù)式中的波形厘米數(shù)，可以是信號(hào)一個(gè)周期的讀數(shù)（可測(cè)待測(cè)信號(hào)的周期）、正脈沖（或負(fù)脈沖）的信號(hào)寬度的讀數(shù)或待測(cè)信號(hào)波形的其他參數(shù)。3. 用李薩如圖形測(cè)信號(hào)的頻率如果將不同的信號(hào)分別輸入到 y軸和x軸的輸入端，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的頻率滿足一定的關(guān)系 時(shí)，在熒光屏上將顯示出李薩如圖形，可用測(cè)量李薩如圖形的相位參數(shù)或波形的

5、切點(diǎn)數(shù)來(lái)測(cè)量時(shí)間參數(shù)。兩正交正弦電壓的相位差一定，頻率比為一個(gè)有理數(shù)時(shí)，合成的圓形是一條穩(wěn)定的閉合曲線。 下圖是幾種頻率比時(shí)的圖形，頻率比與圖形的切點(diǎn)數(shù)之間有下列關(guān)系：fy 水平切線上的切點(diǎn)數(shù) 垂直切線上的切點(diǎn)數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理:1. 用x軸的時(shí)基測(cè)信號(hào)的時(shí)間參數(shù)（1）測(cè)量示波器自備方波輸出信號(hào)的周期(時(shí)基分別為 0.1ms/cm, 0.2ms/cm, 0.5ms/cm)。哪種時(shí)基測(cè)出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確？為什么?0.10.20.510.005.002.00時(shí)基（ms/cm）周期長(zhǎng)度（cm）周期（ms第一種測(cè)出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。因?yàn)槠聊簧现伙@示了一個(gè)周期，而屏幕只有10cm,相當(dāng)于放大了周期長(zhǎng)度，縮小了

6、誤差，置信度較大（相對(duì)于0.2 ms/cm的時(shí)基縮小了 2倍讀數(shù)誤差，相對(duì)于0.5 ms/cm的時(shí)基縮小了 5倍讀數(shù)誤差）（2） 選擇信號(hào)發(fā)生器的對(duì)稱方波接y輸入（幅度和 y軸量程任選），信號(hào)頻率為作信號(hào)發(fā)生器頻率（x軸）與實(shí)測(cè)頻率y軸）的散點(diǎn)圖并線性擬合如下:信號(hào)發(fā)生器的頻率與實(shí)測(cè)頻率的關(guān)系y = 0.9935X - 3.1174 R = 0.9997率頻測(cè)實(shí)-實(shí)測(cè)頻率（Hz）線性（實(shí)測(cè)頻率（Hz）200Hz2kHz （每隔200Hz測(cè)量一次），選擇示波器合適的時(shí)基，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率的厘 米數(shù)、周期和頻率（注明x軸的時(shí)基）。以信號(hào)發(fā)生器的頻率為x軸，示波器測(cè)量的頻率為y軸，作y-x曲線，求出斜率

7、并討論。輸出頻率（Hz）21160018002000所選時(shí)基（ms/cm）1.00.50.50.2 0.20.20.10.10.10.1周期長(zhǎng)度（cm）5.005.003.406.405.004.207.206.405.605.00實(shí)測(cè)頻率（Hz）200400588.24781.2510001190.51388.90斜率為0.9935，而理論上斜率應(yīng)該是 1.0000，因此，絕對(duì)誤差為：1.0000 0.9935 0.0065相對(duì)誤差為：（1.0000 0.9935）/1.0000* 100%0.65%由斜率和圖像的方差可得，實(shí)測(cè)頻率和信號(hào)發(fā)生器的頻率比較接近，說(shuō)明用用x軸時(shí)基測(cè)時(shí)間參數(shù)這種方

8、法測(cè)對(duì)稱方波頻率比較準(zhǔn)確。但由于在熒光屏上讀數(shù)時(shí)， 很難讀準(zhǔn)小數(shù)點(diǎn)第二位的數(shù)字，人為讀數(shù)造成了一定誤差（3）選擇信號(hào)發(fā)生器的非對(duì)稱方波接y軸，頻率分別為200Hz、500Hz、1kHz、 2kHz、5kHz、 10kHz、20kHz，測(cè)量各頻率時(shí)的周期和正波的寬度（或占空比），用內(nèi)容（2）的方法作曲線。輸出頻率（Hz）220000所選時(shí)基（ms/cm）0.500.200.100.050.020.010.005周期長(zhǎng)度（cm）10.0510.0010.0010.0610.0010.0010.03正波寬度（cm）3.053.003.003.053.003.003.00預(yù)設(shè)占空比（%30實(shí)測(cè)頻率（H

9、z）19950010001988.9940實(shí)測(cè)占空比（%30. 35303030. 32303029. 91作信號(hào)發(fā)生器頻率（x軸）與實(shí)測(cè)頻率（y軸）的散點(diǎn)圖并線性擬合如下：信號(hào)發(fā)生器的頻率與實(shí)測(cè)頻率的關(guān)系y = 0.9974X + 3.9094R2 = 1*實(shí)測(cè)頻率（Hz） 線性（實(shí)測(cè)頻率（Hz）率頻測(cè)實(shí)斜率為0.9974，而理論上斜率應(yīng)該是 1.0000,因此，絕對(duì)誤差為：1.0000 0.9974 0.0026相對(duì)誤差為：（1.0000 0.9974）/1.0000*100%0.26%信號(hào)發(fā) 生器的 頻率（Hz）50010001500由斜率和圖像的方差和計(jì)算占空比的方差小于10 6數(shù)量級(jí)

10、可得，實(shí)測(cè)頻率和信號(hào)發(fā)生器的頻率比較接近，說(shuō)明用用x軸時(shí)基測(cè)時(shí)間參數(shù)這種方法測(cè)非對(duì)稱方波的頻率和非對(duì)稱方波的占空比也比較準(zhǔn)確。但同樣由于在熒光屏上讀數(shù)時(shí)，很難讀準(zhǔn)小數(shù)點(diǎn)第二位的數(shù)字，人為讀數(shù)造成了一定誤差。（4）選擇信號(hào)發(fā)生器的輸出為三角波，頻率為500Hz、1kHz、1.5kHz、測(cè)量各個(gè)頻率時(shí)的上升時(shí)間、下降時(shí)間及周期。周期實(shí)測(cè)頻（ms）率（Hz）2.005001.0010000.67 1492.54x軸時(shí)基(ms/cm)上升段 寬度（cm）下降段寬度（cm）周期段寬度（cm）一個(gè)周 期中的 上升時(shí) 間0.500.100.102.005.003.332.005.003.334.0010.0

11、06.66(mS1.000.500.33一個(gè)周 期中的 下降時(shí) 間(ms)1.000.500.332.觀察李薩如圖形并測(cè)頻率用兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器分別接 y軸和x軸（x軸選擇外輸入），取fx/fy 1、1/2、2/3、3/4時(shí)，測(cè)出對(duì)應(yīng)的fy和fx，畫(huà)有關(guān)圖形并求公用信號(hào)發(fā)生器的頻率。fyfy(Hz)fx(Hz)1699.02699.021/2349.52699.042/3466.03699.053/4524.29699.05即為公共信號(hào)發(fā)生器的頻率。因此，fx的平均值為699.02Hz ,思考題用示波器測(cè)頻率有何優(yōu)缺點(diǎn)?答：優(yōu)點(diǎn)：直觀，計(jì)算簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：(1)測(cè)量中出現(xiàn)的誤差較大，包括了對(duì)儀器調(diào)節(jié)的誤差和人為讀數(shù)的誤差。(2)輸出的圖形不穩(wěn)定。2. 在本實(shí)驗(yàn)中，觀察李薩如圖形時(shí)，為什么得不到穩(wěn)定的圖形？答：(1)手動(dòng)調(diào)節(jié)的精度不能達(dá)到